الطاقة النظيفة هي الحل الرائد لمواجهة تغيّر المناخ، لكن الطاقة الشمسية وطاقة الرياح غير متسقة في إنتاج طاقة كافية لشبكة طاقة موثوقة. بدلاً من ذلك، يمكن لبطاريات الليثيوم تخزين الطاقة ولكنها مصدر محدود.

قال الأستاذ المساعد في معهد جورجيا للتكنولوجيا نيان ليو: “ميزة محطة توليد الطاقة بالفحم هي أنها ثابتة للغاية. إذا كان مصدر الطاقة متغير كما هو الحال مع الطاقة النظيفة، فإنه يجعل إدارته أكثر صعوبة، فكيف يمكننا استخدام جهاز أو نظام تخزين الطاقة للتخفيف من هذه التقلبات؟”.

توفر بطاريات التدفق حلاً، حيث تتدفق الإلكتروليتات عبر الخلايا الكهروكيميائية من صهاريج التخزين في هذه البطارية القابلة لإعادة الشحن. تكلف تقنيات بطارية التدفق الحالية أكثر من 200 دولار لكل كيلوواط/ ساعة وهي مكلفة للغاية بالنسبة للتطبيق العملي، لكن مختبر ليو في كلية الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية (ChBE) طور تكوين خلية بطارية أكثر إحكامًا مما يقلل من حجم الخلية بنسبة 75٪، وبالتالي يقلل حجم وتكلفة بطارية التدفق بالكامل. يمكن أن يحدث هذا العمل طفرة في كيفية تشغيل كل شيء من المباني التجارية الكبرى إلى المنازل السكنية.

نشر فريق البحث التابع لجورجيا تك النتائج التي توصلوا إليها في الورقة البحثية في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بعنوان: “خلية بطارية تدفق ميكروتوبولار مجمعة دون مليمتر مع كثافة طاقة حجمية عالية للغاية”.

إيجاد التدفق

جاء اسم بطاريات التدفق من خلية التدفق حيث يحدث التبادل الإلكتروني. يتطلب التصميم التقليدي للخلية المستوية موزعات تدفق ضخمة، مما يزيد من الحجم والتكلفة ولكن يقلل من الكفاءة الكلية. الخلية نفسها باهظة الثمن أيضًا. لتقليل الأثر والتكلفة، ركز الباحثون على تحسين كثافة الطاقة الحجمية لخلية التدفق (W / L-of-cell).

لقد تحولوا إلى تكوين شائع الاستخدام في الفصل الكيميائي – غشاء أنبوبي مجهري تحت المليمتر (SBMT) – مصنوع من غشاء مرشح على شكل ليفية يُعرف بالألياف المجوفة. يتميز هذا الابتكار على تصميم موفر للمساحة يمكنه تخفيف الضغط عبر الأغشية التي تمر عبرها الأيونات دون الحاجة إلى دعم بنية تحتية إضافية.

قال ريان ليفلي، الأستاذ في كلية (ChBE): “كنا مهتمين بتأثير هندسة فاصل البطارية على أداء بطاريات التدفق، وكنا على دراية بالمزايا التي تضفيها الألياف المجوفة على أغشية الفصل وشرعنا في تحقيق نفس المزايا في مجال البطارية”.

طور الباحثون (SMBT) بتطبيق هذا المفهوم الذي يقلل المسافة من الغشاء إلى الغشاء بحوالي 100 مرة. يعمل الغشاء الأنبوبي الدقيق في التصميم كموزع إلكتروليت في نفس الوقت دون الحاجة إلى مواد داعمة كبيرة. تخلق الأنابيب الدقيقة المجمعة مسافة أقصر بين الأقطاب الكهربائية والأغشية، مما يزيد من كثافة الطاقة الحجمية. هذا التصميم المجمع هو الاكتشاف الرئيسي لتعظيم إمكانات بطاريات التدفق.

تشغيل البطارية

استخدم الباحثون أربعة تركيبات كيميائية مختلفة للتحقق من صحة التكوين الجديد للبطارية: الفاناديوم وبروميد الزنك وبروميد الكينون ويوديد الزنك. على الرغم من أن جميع أنواع الكيمياء وظيفية، إلّا أن اثنتين منها كانتا واعدة للغاية. لطالما كان الفاناديوم هو العنصر الكيميائي الأكثر تطورًا وتكاملاً، ولكنه أيضًا أقل سهولة، والشكل المصغر منه غير مستقر في الهواء. ووجدوا أن يوديد الزنك كان الخيار الأكثر كثافة للطاقة، مما يجعله الأكثر فعالية للوحدات السكنية. يقدم يوديد الزنك العديد من المزايا حتى بالمقارنة مع الليثيوم، فهو أقل صعوبة في سلسلة التوريد ويمكن أيضًا تحويله إلى أكسيد الزنك والذوبان في الحمض، مما يسهل إعادة تدويره.

أثبت هذا الحل الكهروكيميائي لهذا الشكل الفريد لبطارية التدفق أنه أقوى من الخلايا المستوية التقليدية.

قال الأستاذ المساعد في كلية الهندسة المدنية والبيئية شينغ شي (Xing Xie): “أثبت الأداء المتفوق لـغشاء (SMBT) أيضًا من خلال تحليل العناصر المحدودة. ستُطبق أيضًا طريقة المحاكاة هذه في دراستنا المستقبلية لتحسين أداء الخلية وتوسيع نطاقه”.

يمكن أن تعمل البطارية لأكثر من 220 ساعة باستخدام عنصر يوديد الزنك، أو لأكثر من 2500 دورة في ظروف خارج أوقات الذروة. يمكن أيضًا أن يقلل التكلفة من 800 دولار إلى أقل من 200 دولار لكل كيلوواط/ ساعة باستخدام إلكتروليت معاد تدويره.

بناء مستقبل الطاقة

يعمل الباحثون بالفعل على التسويق التجاري، مع التركيز على تطوير بطاريات بمواد كيميائية مختلفة، مثل الفاناديوم، وزيادة حجمها. سيتطلب القياس التوصل إلى عملية آلية لتصنيع وحدة ألياف مجوفة، والتي تُجرى الآن يدويًا باستخدام الألياف بالكامل. يأملون في نهاية المطاف في نشر البطارية في شبكة صغيرة (ميكروغريد) بسعة 1.4 ميجاواط في جورجيا تك، وهو مشروع يختبر تكامل الشبكة الصغيرة في شبكة الطاقة ويوفر مختبرًا فعليًا للأساتذة والطلاب.

يمكن أيضًا تطبيق خلايا (SBMT) على أنظمة تخزين الطاقة المختلفة، مثل التحليل الكهربائي وخلايا الوقود. يمكن تعزيز التكنولوجيا بمواد متقدمة وكيمياء مختلفة في تطبيقات مختلفة.

قال ليو: “هذا الابتكار يحركه التطبيق بشدة. لدينا حاجة للوصول إلى حياد الكربون عن طريق زيادة النسبة المئوية للطاقة المتجددة في توليد الطاقة لدينا، وفي الوقت الحالي، أقل من 15٪ في الولايات المتحدة يمكن لأبحاثنا تغيير هذا”.

المصدر: https://techxplore.com

ترجمة: كاترين مياله

فيسبوك: chathrine.myaleh

لينكد إن: tcathrine-mayaleh

مراجعة وتدقيق: زينب محمد